Теоретичні аспекти технології вирощування та наступної обробки напівпровідникових твердих розчинів на основі сполук AIIBVI

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

УДК 621.315.592

Каверцев Сергій Володимирович

Теоретичні аспекти технології вирощування та наступної обробки напівпровідникових твердих розчинів на основі сполук AIIBVI

05.27.06 - Технологія, обладнання та виробництво електронної техніки

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 1999



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників Національної Академії Наук України, місто Київ.

Науковий керівник:	Доктор фіз. - мат. наук, ст.наук. спів. Бєляєв Олександр Євгенович, ІФН НАНУ, м.Київ, пров. наук. спів.
Офіційні опоненти:	Доктор фіз. - мат. наук, професор Берченко Микола Миколаєвич , Державний університет “Львівська політехніка”, м.Львів, професор Доктор фіз. - мат. наук, професор Пекар Григорій Соломонович ІФН НАНУ, м.Київ, пров. наук. спів.
Провідна установа:	Чернівецький державний університет ім. Ю. Федьковича, Міністерство освіти України, м. Чернівці

Захист відбудеться 29 чевня 1999 р. о 1415 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників Національної Академії наук України за адресою: 252028, Київ - 28, пр.Науки, 45.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників Національної Академії наук України.

Автореферат розісланий 1999 року.

Вчений секретар Спеціалізованої ради кандидат фізико-математичних наук Рудько Г.Ю.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Метою поданої роботи є теоретичний аналіз кола питань, пов'язаних з технологією вирощування та наступної обробки вузькощілинних напівпровідників (Hg,Cd)Te та (Hg,Mn)Te.

Актуальність обраної теми обумовлена широкими перспективами застосування цих напівпровідників в інфрачервоній (ІЧ) фотоелектроніці, що випливають з виняткових фізичних властивостей вузькощілинних напівпровідників AIIBVI, таких як велика рухливість носіїв заряду, висока фоточутливість та майже 100% квантовий вихід фотоефекту.

Найбільш вивченою сполукою згаданої групи є напівпровідниковий твердий розчин (Hg,Cd)Te, який сьогодні розглядають як основний матеріал для створення фотоприймачів ІЧ діапазону спектру. Разом з особливостями зонної структури (що визначають фундаментальні фізичні параметри цього напівпровідника), фактором, який зумовлює його велику роль в фізиці та техніці напівпровідникових сполук є складна природа (Hg,Cd)Te як твердого розчина із змінною дефектною структурою, що надає великі можливості для розробки приладних структур різної конфігурації. З цієї причини, хоча такі матеріали, як InSb чи інші напівпровідники групи AIIIBV успішно конкурують з (Hg,Cd)Te в окремих областях, сфера застосування (Hg,Cd)Te в інфрачервовій техніці безперервно розширюється.

Більшість стратегічних переваг твердого розчину (Hg,Cd)Te - таких як залежність ширини забороненої зони від складу, велика роль власних точкових дефектів, або чутливість електронної підсистеми до зовнішніх впливів, - притаманні також спорідненій з ним сполуці (Hg,Mn)Te. Початково, інтерес до (Hg,Mn)Te виник у зв'язку з унікальними магнітними властивостями твердих розчинів AIIBVI, легованих іонами перехідних металів, що дозволяє виділити ці сполуки в єдиний клас напівмагнітних напівпровідників. Останнім часом сполуку (Hg,Mn)Te розглядають також як вузькощілинний напівпровідник, який має самостійне значення в ІЧ фотоелектроніці. Вважається, що присутність іонів марганцю стабілізує нестійкий хімічний зв'язок в кристалічній гратці HgTe. При близьких електрофізичних параметрах це забезпечує більшу структурну досконалість кристалів (Hg,Mn)Te у порівнянні з кристалами (Hg,Cd)Te, вирощеними за аналогічних умов, що зумовлює ряд переваг (Hg,Mn)Te при створенні багатоелементних оптичних систем. Фактором, що стримує практичне застосування цієї сполуки, є недостатньо відпрацьована технологія отримання кристалів (Hg,Mn)Te заданого складу та якості.

Поширеним методом отримання твердих розчинів (Hg,Cd)Te та (Hg,Mn)Te є вирощування сполуки із збагаченого телуром розплаву компонент. У випадку вільної кристалізації із розплаву, умови вирощування твердого розчину заданого складу можна визначити виходячи із моделі фазової рівноваги, що адекватно описує поверхню ліквідусу відповідної трьохкомпонентної системи. При епітаксійному вирощуванні характеристики отриманих кристалів можуть залежати від типу, а також ступеня структурної та хімічної досконалості обраної підкладки.

Вихідним пунктом першої частини нашого дослідження стало систематичне розходження між реальним складом епітаксіальних плівок (Hg,Mn)Te, вирощених з рідкої фази, та складом, що очікується на підставі теоретичного аналізу поверхні ліквідусу системи Hg-Mn-Te. Зокрема, при вирощуванні (Hg,Mn)Te/Cd0.96Zn0.04Te на підставі певної діаграми стану трьохкомпонентної системи нами були отримані зразки, що відповідають поняттю чотирьохкомпонентної сполуки (Hg,Mn,Cd)Te, причому концентрація марганцю в твердому розчині виявилася набагато меншою за ту, що її було розраховано в рамках спряженої з діаграмою стану моделі фазової рівноваги. Аналіз літератури довів, що відхілення складу епітаксійних плівок від очікуваного із незалежної діаграми стану спостерігається також при вирощуванні (Hg,Mn)Te на підкладках CdTe і завжди відповідає зменшенню дилатаційної неузгодженості між епітаксіальним шаром та підкладкою. Раніше аналогічне відхилення спостерігалось при епітаксійному вирощуванні (Hg,Zn)Te/CdTe та було розцінене дослідниками як результат зміщення умов фазової рівноваги, обумовленого пружними напругами в епітаксійному шарі. Отже, цілком природним повинно було бути припущення, за яким при епітаксійному вирощуванні (Hg,Mn)Te ми маємо справу з реальним зменшенням концентрації марганцю в твердому розчині, обумовленим неузгодженністю параметрів кристалічної гратки підкладки та плівки.

З іншого боку, нами було враховано той факт, що у порівнянні з теорією фазових рівноваг в таких споріднених з Hg-Mn-Te системах AIIBVI , як, наприклад, Hg-Cd-Te, теорія фазових рівноваг в системі Hg-Mn-Te розвинута недостатньо. Зокрема, звичайне використання дослідниками моделі повністю асоційованого розчину не враховує, на наш погляд, характеру p-T - діаграми бінарної системи Hg-Te і може призводити до помітних похибок при розрахунках діаграми стану трьохкомпонентної системи. Таким чином, варто було перевірити, чи не є зазначене розходження між теорією та експериментом наслідком недостатньо адекватного опису фазових рівноваг в системі Hg-Mn-Te незалежно від специфіки епітаксійного вирощування твердого розчину.

Незалежно від ролі пружних напруг при епітаксйному вирощуванні сполуки, важливим компонентом впливу підкладки на параметри епітаксійної структури є взаємна дифузія компонент. Аналіз експериментальних даних свідчить, що при температурах рідиннофазної епітаксії роль взаємодифузії полягає у формуванні перехідного шару між підкладкою та плівкою, товщина якого обмежується десятками мікрон і може бути набагато меншою, ніж товщина плівки. Цей перехідний шар є, однак, варизонним і може впливати на результати електрофізичного дослідження зразків. Враховуючи це, з метою висвітлення умов цілеспрямованого вирощування епітаксіальних плівок (Hg,Mn)Te із заданими властивостями нами були поставлені та вирішені наступні задачі:

1. Перевірка гіпотези про зміщення умов фазової рівноваги при вирощуванні твердого розчину (Hg,Mn)Te на дилатаційно неузгодженій підкладці за допомогою термодинамічного аналізу існуючих експериментальних даних.

2. Пошук адекватного опису вказаних даних в рамках математичного моделювання фазових рівноваг в системі Hg-Mn-Te, та, коли подібний опис можливий, розрахунок ізоконцентрат солідусу трьохкомпонентної системи.

3. Оцінка можливого вкладу електронних станів в варизонному шарі, що формується внаслідок розмивання межі розподілу епітаксійний шар - підкладка внаслідок взаємодифузії компонент, в електрофізичні характеристики кристалів (Hg,Mn)Te, вирощених із рідкої фази .

Внаслідок відносно широкої області гомогенності в сполуках AIIBVI, важливе місце в обгрунтуванні технології вирощування та наступного відпалу вузькощілинних кристалів, що розглядаються, посідає проблема власних точкових дефектів. Сполука (Hg,Mn)Te в цьому аспекті вивчена мало, а чи не найбільш вивченою є сполука Hg0.8Cd0.2Te, де електрично активні власні точкові дефекти визначають тип провідності невідпалених кристалів, вирощених із рідкої фази, кинетику відпалу напівпровідника в парі компонент, впливають на процеси дифузії домішок та ефективність керованого легування напівпровідника. В зв'язку з особливим значенням цієї сполуки як детекторного матеріалу, питання, пов'язані з дефектною структурю Hg0.8Cd0.2Te та шляхами її еволюції в термообробках є досить пріоритетними.

В свій час, дослідження процесів дифузії та відпалу Hg0.8Cd0.2Te призвели до накопичення великого об'єму експериментальних даних, які так чи інакше характеризують дефектну структуру цього матеріалу в його рівноважному стані. Це, однак, не призвело до подолання існуючих розбіжностей у поглядах, зокрема - щодо інтерпретації даних самодифузії ртуті та кадмію в контексті уявлень про дефектну структуру напівпровідника, розвинутих для пояснення електрофізичних властивостей відпалених кристалів. Перегляд існуючих експериментальних даних дозволяє припустити, що деякого прогресу в цьому напрямку можна досягти на шляху спільної інтерпретації даних самодифузії та результатів електрофізичного дослідження кристалів з обов'язковим залученням до аналізу експериментальних даних, що характеризують кінетику низькотемпературного відпалу напівпровдника у насиченій парі ртуті. Справа в тому, що дослідження кінетики відпалу надає (принципово) ту ж інформацію, що й сумісне дослідження профілів розподілу мічених атомів та електрофізичних характеристик кристалів, приведених до рівноваги з парою, а саме дозволяє оцінити коефіцієнти дифузії та рівноважні концентрації власних дефектів. Отже, експерименти кожного названого класу дублюють експерименти двох інших, а за допомогою порівняльного аналізу усієї сукупності відповідних їм даних можна по-перше, відхилити ті хибні уявлення про природу та механізми дифузії основних точкових дефектів, які були розвинуті на базі експериментів одного класу і не можуть бути розповсюджені на інші, по друге - виділити або збудувати узгоджену модель дефектної структури Hg0.8Cd0.2Te. В гіршому випадку, ми доведемо, що останнє неможливо.

Величиною, що характеризує процес відпалу та легко може бути знайдена практично є глибина залягання p-n-переходу, який утворюється в приповерхневому шарі кристалу коли концентрація власних дефектів (вакансій у підгратці металу) на його поверхні виявляється меншою, ніж концентрація залишкових домішок, як правило донорних. В зв'язку з цим, конкретною задачею другої частини роботи був кількісний аналіз температурної залежності глибини залягання p-n - переходу, здійснений нами на базі тих модельних уявлень про дефектну структуру Hg0.8Cd0.2Te, які пояснюють відому залежність концентрації акцепторів у відпалених зразках p-типу від умов відпалу найпростішим та найбільш вирогідним чином.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Перша частина поданої роботи виконана в рамках проекту 05.01/07044 “Розробка технології та організація дослідного виробництва епітаксійних структур для багатоелементних детекторів інфрачервоного випромінювання” (шифр “Тесіч”) Міннауки України. Друга частина виконана в рамках теми “Комплексні дослідження впливу міждефектної взаємодії в кристалах Si, Ge, GaAs, CdTe, CdxHg1-xTe, MnxHg1-xTe на кінетику електронних процесів у термодинимічно рівноважних на нерівноважних умовах”, затвердженої Бюро ВФА НАН України 20.12.1994 р. (протокол №9).

Наукова новизна роботи полягає в тому, що вперше:

1. Подана кількісна оцінка можливого вкладу пружних напруг, які виникають в плівках (Hg,Mn)Te при рідиннофазовому вирощуванні твердого розчину на дилатаційно неузгодженій підкладці типу CdTe, в умови фазової рівноваги.

2. Розраховано солідус трьохкомпонентної системи Hg-Mn-Te у наближенні часткової асоціації в підсистемі Hg-Te трьохкомпонентної системи.

3. Досліджено вплив тонкого перехідного шару, що формується внаслідок розмивання межі розподілу епітаксійний шар - підкладка при рідиннофазовому вирощуванні (Hg,Mn)Te/Cd0.96Zn0.04Te, на електрофізичні характеристики епітаксіальної структури.

4. Систематично, в широкому інтервалі температур, співставлено дані, що характеризують дифузію ізотопу Hg203 та кінетику низькотемпературного відпалу Hg0.8Cd0.2Te в насиченій парі ртуті.

У відповідності з постановочною частиною, практичну цінність має більшість отриманих результатів. Зокрема, аналіз умов фазової рівноваги в системі Hg-Mn-Te, а також висвітлення ряду питань щодо епітаксійного вирощування (Hg,Mn)Te на підкладках CdTe або (CdZn)Te, має очевидне значення для удосконалення технології вирощування якісних напівпровідникових структур на основі цієї сполуки, що швидко стає одним з провідних напрямків розвитку технології матеріалів AIIBVI для потреб ІЧ фотоелектроніки. З іншого боку, виконаний нами порівняльній аналіз експериментальних даних, які з різних боків характеризують дефектну структуру Hg0.8Cd0.2Te у рівновазі з парою, орієнтований на розвиток кількісного розуміння закономірностей формування та еволюції дефектної структури цього напівпровідника, і може бути основою для свідомого вибору режимів температурної обробки матеріалу.

Апробація роботи. Основні результати роботи були апробовані на наступних конференціях: IV Міжнародна конференція ФТТП-93 (Івано-Франківськ, 1993), II Українська конференція “Матеріалознавство і фізика напівпровідникових фаз змінного складу” (Ніжин, 1993), Third International Conference Material Science and Material Properties for Infrared Photoelectronics (Uzhgorod, 1996), III Всероссийская конференция по физике полупроводников (Москва, 1997).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 8 друкованих праць.

Об'єм та структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та списку цитованої літератури. Обсяг дисертації становить 140 сторінок, включаючи 27 малюнків та 5 таблиць.

Особистий вклад дисертанта. Дисертантом самостійно отримана більшість наведених результатів. Розрахунок рухливості носіїв в епітаксіальних плівках (Hg,Mn)Te здійснений С.М. Коміренко, у співавторстві з яким написана робота щодо особливостей явищ переносу в епітаксіальних плівках HgxMn1-xTe/Cd0.96Zn0.04Te. Автору належить висновок стосовно причин формування на підкладці чотирьохкомпонентної сполуки, кількісна оцінка вкладу енергії пружньої взаємодії в умови фазової рівноваги, інші твердження та висновки поданої праці.

КОРОТКИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вcтупі наведено стислу характеристику виконаної роботи. Сформульовані основні завдання дослідження, обгрунтована їх актуальність, викладені основні результати, описана їх наукова новизна та практичне значення. Подано відомості про апробацію роботи, особистий внесок дисертанта, публікації, наводиться короткий зміст дисертації по розділах.

Перший розділ має оглядовий характер і присвячений особливостям математичного моделювання фазової рівноваги в системах AIIBVI . В цьому розділі вводяться основні поняття, принципи та наближення, тобто формується контекст, в якому буде подано аналіз фазових співвідношень в системі Hg-Mn-Te.

Структура розділу відповідає цьому завданню.

В першому параграфі подана стисла характеристика основних властивостей напівпровідникових сполук групи AIIBVI та методу рідинно-фазової епітаксії як засобу їх отримання. Висвітлені суть методу, його місце серед інших методів вирощування напівпровідникових сполук, а також етапи математичного моделювання процесу, особливе місце серед яких займає аналіз умов фазової рівноваги.

Другий параграф містить опис принципів математичного моделювання фазових рівноваг у багатокомпонентних системах. Як основний метод розрахунку фазових рівноваг, розглянуто метод, що полягає у сумісному вирішенні рівнянь, що є умовами рівності хімічних потенціалів відповідних компонент у кожній фазі. Конкретний вид цих рівнянь визначається тим способом, яким надлишкова енергія змішування Гіббса у кожній фазі може бути виражена через концентрації компонент. В параграфі наведена класифікація термодинамічних моделей багатокомпонентного розчину, основаних на більш-менш апріорному виборі цієї залежності, та окреслена концепція асоційованого розчину, застосування якої запобігає додатковому ускладненню термодинамічної моделі за наявності специфічної (спрямованої) взаємодії між компонентами.

Безпосередньо аналізу фазових рівноваг в системах AIIBVI присвячено третій параграф. Основна увага приділяється питанням математичного моделювання фазових рівноваг в системі Hg-Cd-Te. Розглянуто особливості експериментальних даних, що характеризують фазові рівноваги в бінарних системах Hg-Te та CdTe, питання вибору наближень, а також методику розрахунку фазових рівноваг в бінарній та трьохкомпонентній системі у наближенні часткової асоціації для рідкої фази.

У заключній частині розділу виділені важливі для подальшого аналізу особливості математичного опису фазових рівноваг в системах AIIBVI, а саме: вибір термодинамічних параметрів переважно із найкращої відповідності експериментальним даним, широке використання для опису фазової рівноваги у системі рідина - тверде тіло p-T-x діаграм стану, опис фазової рівноваги у системі рідина - тверде тіло у загальному наближенні частково асоційованого розчину для рідкої фази з певною величиною константи асоціації.

Другий розділ присвячено систематичному дослідженню питань, пов'язаних з рідинно-фазовою епітаксією напівпровідникового твердого розчину (Hg,Mn)Te.

В розділі подані:

а) стисла характеристика електрофізичних властивостей твердого розчину (Hg,Mn)Te;

б) аналіз експериментальних даних, що характеризують зв'язок між параметрами рідкої та твердої фази, а також існуючих способів опису фазових рівноваг в системі Hg-Mn-Te;

в) кількісна оцінка можливого впливу підкладки на склад, умови вирощування та результати електрофізичного дослідження епітаксіальних плівок (Hg,Mn)Te ;

в) розрахунок ізоконцентрат солідусу системи Hg-Mn-Te у наближенні часткової асоціації в підсистемі Hg-Te трьохкомпонентної системи.

По суті розглянутих питань зазначимо наступне:

1. Моделювання фазових рівноваг в системі Hg-Mn-Te має певні особливості. Зокрема, внаслідок складного характеру фазових взаємодій в системі Mn-Te, діаграму стану цієї системи не можна використати для визначення термодинамічних параметрів системи Hg-Mn-Te. Дані, що є, характеризують квазібінарний розріз HgTe-MnTe та телуровий кут трьохкомпонентної системи, причому звичайно ми маємо справу з малими концентраціями марганцю в рідкому розчині. Це ускладнює визначення термодинамічних параметрів трьохкомпонентної системи та потребує особливих заходів при їх доборі у відповідності з експериментом. До того ж, обидві відомі нам моделі фазових рівноваг побудовано у наближенні повністю асоційованого розчину (ПАР) в рідкій фазі. В наближенні ПАР рідку фазу трьохкомпонентнoї системи розглядають як трьохкомпонентний розчин HgTe-MnTe-Te. Це суттєво спрощує розрахунки, але призводить до помітних похибок при побудові діаграми стану. Отже, надійних даних щодо термодинамічних параметров системи Hg-Mn-Te немає.

2. Дослідження специфіки епітаксійного вирощування (Hg,Mn)Te було проведено у двох аспектах. По-перше, розглянуто можливий вплив на характер кристалізації сполуки пружніх напруг, що виникають в епітаксійному шарі внаслідок невідповідності параметрів кристалічної гратки підкладки та твердого розчину в його рівноважному стані. По-друге, вивчено вклад перехідного шару, що формується між підкладкою та плівкою внаслідок взаємодифузії компонент, в інтегральні електрофізичні характеристики плівок.

В першому аспекті характер експериментальних даних дозволяє припустити, що при вирощуванні сполуки на дилатаційно неузгодженій підкладці CdTe чи Cd0.96Zn0.04Te ми зіштовхуємося з ефектом стабілізації складу твердої фази, який може мати місце, коли пружні напруги в епітаксіальному шарі зберігаються на протязі вирощування. Суть ефекту полягає у тому, що, коли у рівновазі параметр кристалічної гратки підкладки відрізняється від параметру гратки твердого розчину, при його епітаксіальному вирощуванні стан всієї плівки виявляється напруженим. Енергія пружньої взаємодії адитивно входить до сукупної енергії кристалу, а відносні концентрації компонент твердого розчину зміщуються в бік її зменшення.

По аналогії з твердим розчином (Hg,Cd)Te, під час аналізу умов фазової рівноваги трьохкомпонентний розчин (Hg1-uMnu)1-vTev можна розглядати як взаємний розчин двох бінарних стехіометричних сполук HgTe та MnTe із структурою сфалериту. За величину, яка характеризує вклад пружніх напруг можна взяти парціальну величину енергії пружньої взаємодії, що визначає зменшення пружньої енергії плівки при зростанні відносної концентрації сполуки HgTe. Коли кристал, що вирощується на CdTe, дійсно знаходиться у стані метастабільної рівноваги, знайти її можна, якщо співставити парціальну енергію Гіббса телуру та ртуті для рідкої фази з хімічним потенціалом сполуки HgTe у вільному твердому розчині. Таким чином, висунуте вище припущення можна перевірити, підставляючи дані, що характеризують умови вирощування епітаксійних плівок (Hg,Mn)Te відомого складу, в рівняння фазової рівноваги для системи Hg-Mn-Te.

З метою виключення похибок, які можуть бути пов'язані з використанням моделі повністю асоційованого розчину, відповідний аналіз було здійснено у наближенні малих концентрацій марганцю в рідині, що дозволяє розрахувати активності основних компонентів рідкої фази тільки по наведеним в літературі термодинамічним параметрам бінарної системи Hg-Te, знайденим у наближенні частково асоційованого розчину [1]. Дані, що характеризують умови вирощування епітаксійних плівок (Hg,Mn)Te відомого складу, було взято з роботи [2].

Виходячи із результатів аналізу, ми не знаходимо підстав казати про помітний вплив пружніх напруг в епітаксійному шарі на склад твердого розчину. З розрахунків виходить, що для тих орієнтовних значень коефіцієнтів пружності, які можна визначити шляхом екстраполяції знайдених в літературі температурних залежностей, різниця між температурою ліквідуса та температурою метастабільної рівноваги набагато менша від стандартних переохолоджень розплаву на 5-7o, що їх використовують з метою створення умов для формування зародків твердої фази на поверхні підкладки. Прийнявши це, використані дані [2] для нерівноважних епітаксійних структур можна використати ще раз - для розрахунку дійсних температур ліквідусу системи. Виявилось, що отримані таким чином температури досить добре відповідають експериментальним температурам ліквідусу Hg-Mn-Te, знайденим в [2] за допомогою візуально-термічного аналізу. І це не випадковість. На початку нашого аналізу одним з незрозумілих фактів було формування чотирьохкомпонентної сполуки (Hg,Cd,Mn)Te при вирощуванні трьохкомпонентного (як очікувалося) розчину на підкладці Cd0.96Zn0.04Te. В відповідній роботі [3] формування чотирьохкомпонентної сполуки пояснювалось взаємною дифузією компонент. Це пояснення не є влучним, оскільки доля Cd в отриманих плівках була майже постійною, тоді як дифузія повинна призводити до плавного розподілу компонент, як це дійсно має місце в кристалах, вирощених із паровоі фази [4]. Апробований на даних [2], розрахунок ліквідусу у наближенні малих концентрацій марганцю в рідині дозволяє знайти інше пояснення факту. Спираючись на склад отриманих в [3] плівок, ми встановили, що задані в [3] температури початку вирощування були більшими за відповідні температури ліквідусу системи. Отже, наявність в досліджених в [3] плівках значної долі рівномірно розподіленого кадмію можна пояснити підтравленням підкладки (Cd,Zn)Te, що є більш вирогідним, ніж формування рівномірного розподілу Cd внаслідок взаємодифузії. Таким чином, методика розрахунку умов фазової рівноваги у наближенні малих концентрацій марганцю є адекватною, а коли є певні температури ліквідусу, може бути використана у зворотньому напрямку, тобто для розрахунку ізоконцентрат солідусу трьохкомпонентної системи. Діаграму стану Hg-Mn-Te, збудовану за допомогою такого напівемпіричного методу, наведено на Рис.1.

Для висвітлення ролі взаємодифузії нами були досліджені зразки (Hg,Mn)Te, вирощені методом рідинно-фазової епітаксії на підкладках Cd0.96Zn0.04Te та відпалені у насиченій парі Hg при температурі 250oC. Встановлено, що температурні залежності концентрації вільних носіїв та їх рухливості в отриманих зразках n-типу відрізняються від залежностей, які були знайдені для тих же зразків після видалення варизонного шару. Наявність додаткових електронних станів в варизонному шарі призводить до того, що при температурі T>70K концентрація носіїв (n) є вищою, а їх рухливість () - більшою, ніж для зразків без варизонного шару, які можна розглядати як “об'ємні”.

В об'ємних кристалах адекватним методом розрахунку рухливості є метод заснований на визначенні температурної залежності ширини забороненої зони Eg(T) виходячи з вимірів n(T) для кожного кристалу. Оскільки n(T) змінюється, в присутності варизонного шару цей метод, взагалі кажучи, не працює. Втім, при температурах T<70K існує можливість формального узгодження розрахованих та експериментальних значень рухливості шляхом підгонки сумарної концентрації донорів та акцепторів. Однак похибка у визначенні Eg призводить до того, що ця концентрація виявляється на 25% меншою, ніж реальна концентрація іонізованих точкових дефектів, розрахована для зразків після видалення варизонного шару.

В третьому розділі обговорюється дефектна структура Hg0.8Cd0.2Te, що знаходиться у рівновазі з парою компонент.

В першому параграфі розглянуто основні наближення, пов'язані з інтерпретацією даних, що характеризують стан кристалу у рівновазі з парою, а також основні ідеї та методи квазіхімічної теорії дефектів у твердих розчинах.

В другому параграфі подано базову модель дефектної структури Hg0.8Cd0.2Te, що пояснює відому залежність концентрації акцепторів у відпалених зразках p-типу від умов відпалу. Основними точковими дефектами визнано двократно іонізовані вакансії у підгратці металу, подвійна концентрація яких ототожнюється із концентрацією носіїв у загартованих зразках p-типу, h77 , що вимірюється при азотних температурах.

Рис. 1 - Діаграма стану системи Hg-Mn-Te в телуровому куті

Горизонтальні криві - ізоконцентрати ліквідусу для атомної долі Te у рідкій фазі y = 0.5, 0.6, 0.65, 0.7, 0.75 та 0.8. Вертикальні криві - ізоконцентрати солідусу для атомної долі Mn у підгратці металу z = 0.04, 0.08, 0.12 та 0.16. Експериментальні дані (згідно з літературою): y=0.5 - диференціально-термічний аналіз; y=0.60.8 - візуально-термічний аналіз. Хрестами відмічені очікувані температури ліквідусу, розраховані нами по даним щодо складу єпітаксійних плівок (Hg,Mn)Te/CdTe (див. текст).

Третій параграф присвячено питанням самодифузії компонент, в першу чергу ртуті, в Hg0.8Cd0.2Te. Засадою для співставлення даних самодифузії з результатами електрофізичних досліджень є той факт, що, коли дифузія мічених атомів відбувається із залученням певного типу точкових дефектів, коефіціент самодифузії пропорційний концентрації дефектів обраного типу. У випадку, коли в переносі приймають участь різні дефекти, вважають, що процес також описується законом Фіка, із сукупним коефіцієнтом самодифузії Dself, що є сумою коефіцієнтів дифузії по окремим дефектам. Експерименти по самодифузії ставлять в умовах, близьких до рівноваги. Отже, коли виміри концентрації акцепторів у відпалених кристалах дійсно дають концентрацію власних точкових дефектів в рівновазі з парою, залежності h77 та Dself від тиску пари повинні узгоджуватись - принаймні, у відношенні потрібного в рамках квазихімічної інтерпретації приблизного вигляду рівняння електронейтральності при температурі відпалу.

В дійсності, узгодження залежностей h77 та Dself від тиску та температури є ускладненим. По перше, оскільки профіль розподілу в Hg0.8Cd0.2Te таких елементів як Hg203 чи Cd109 звичайно має складний вигляд, існує досить розбіжностей стосовно того, що саме треба вважати за коефіцієнт самодифузії, пов'язаний з класичною дифузією із залученням точкових дефектів. В простішому випадку, коли факт класичної дифузії із необмеженого джерела не викликає сумніву, коефіцієнт самодифузії знаходять шляхом апроксимації експериментально визначеного профілю розподілу мічених атомів erfc-функцією. Для пояснення складного профілю вводять уяву про дві - швидку та повільну,- складові дифузійного потоку, погляди на природу та опис яких розбігаються. По-друге, хоча дані електрофізичного досліження відпалених зразків, отримані різними дослідниками, досить добре узгоджуються між собою, між наведеними в літературі даними самодифузії існує значний розбіг - як у відношенні температурної залежності коефіцієнтів самодифузії (визначених в один спосіб), так і у відношенні їх залежності від тиску пари. В параграфі розглянуто різні підходи до інтерпретації складного профілю розподілу Hg203 в Hg0.8Cd0.2Te, підкріплені результатами спеціальних досліджень чи можливістю узгодження залежностей h77 та Dself від умов процесу.

Четвертий розділ містить у собі аналіз даних неповного відпалу Hg0.8Cd0.2Te в насиченій парі ртуті. Як загальний у фізичному відношенні випадок, розглянуто кінетику низькотемпературного відпалу Hg0.8Cd0.2Te з великою (1017 - 1018 см-3) концентрацією вакансій, характерною для кристалів, вирощених із збагаченого Te розчину компонент. Внаслідок ретроградного характеру солідусу в системі Hg-Cd-Te, механізм такого відпалу є поєднанням двох самостійних процесів. По перше, це конденсація дефектів з утворенням включень (преципітатів) телуру в кристалічній гратці. По-друге, сток вакансій на поверхню, де вони компенсуються атомами Hg з парової фази.

Преципітація телуру починається при охолоджені напівпровідника від температури вирощування і є дифузійно-обмеженим процесом. Вагомі дані щодо розміру та розміщення преципітатів надані в роботах [5,6]. Особливістю кристалів, досліджених в [6] була наявність великої кількості (понад 1014 см-3) надмалих включень, що свідчить про малий коефіцієнт дифузії вакансій, величину якого (з використанням даних [6]) було визначено в [7]. Змальована картина приходить у протиріччя з даними [5], де для кристалів, швидко охолоджених від температури 450-650OC було знайдено: а) утворення відносно великих (0.2 мкм) преципітатів; б) утворення широких (до 100 мкм) вільних від преципітатів зон навкруг присутніх в кристалах маловуглових меж, які є місцями найбільш легкого утворення зародків нової фази. Для узгодження даних [5,6] слід припустити, що утворення великих преципітатів може бути наслідком коагуляції малих, що відповідає припущенню, зробленому в [8] виходячі з аналізу швидкості зменшення концентрації акцепторів в кристалах, підданих низькотемпературному відпалу. Втім, це припущення не допоможе в іншому аспекті, що пов'язаний із стоком вакансій на поверхню.

Як і сток на межу монокристалічних блоків, сток вакансій на поверхню призводить до формування характерного профілю розподілу власних дефектів. Загальною рисою неповного відпалу не легованих навмисно зразків p-типу є виникнення p-n-переходу в приповерхневому шарі кристалу, яке спостерігається, коли концентрація вакансій на поверхні стає меншою за концентрацію неконтрольованих домішок, звичайно донорних. Глибина залягання p-n-переходу, xj , є значно більшою за ту, що її може забезпечити дифузія по вакансіям з коефіцієнтом дифузії, визначеним в [7]. Виникає питання: чи є формування такого p-n-переходу дифузійним процесом? Так, і перший факт, який це підтверджує - пропорційність між xj2 та t, де t - час відпалу. Для детальної відповіді на це питання, як і для єдиного опису дифузійних процесів в напівпровіднику треба знайти відповідність між відношенням xj2/t (що характеризує профіль розподілу вакансій і є “коефіцієнтом хімічної дифузії” дефектів) та коеффіцієнтом дифузії вакансій та/або комплексною величиною Dikf (характеризує дифузію міжвузлових атомів; Di - коефіцієнт дифузії, kf - константа Френкеля), що їх знайдено із співставлення даних самодифузії з концентраціями вакансій, встановленими по результатам електрофізичних досліджень загартованих зразків.

Чи є така відповідність? Перше, що необхідно для відповіді - відібрати коефіцієнти самодифузії, пов'язані з тими ж дефектами, дифузія яких призводить до формування p-n-переходу. Оскільки розмова іде за дефекти у підгратці металу, а вкладом кадмію ми, як звичайно, нехтуємо, розглянуто дані щодо самодифузії ртуті. Як вже відзначалось, профіль розподілу Hg203 в Hg0.8Cd0.2Te має складний вигляд, для пояснення якого вводять уяву про дві - швидку та повільну,- складові дифузійного потоку. З точки зору їх утворення, “класичний” характер може мати повільна складова потоку [9], але відповідний коефіцієнт самодифузії знайдено незалежним від тиску пари (або, інакше, концентрації вакансій), і тому використати його для опису того переносу, який ініційовано саме градієнтом концентрації вакансій, не можна. Зважаючи на потрібну залежність від тиску пари, для співставлення було взято коефіцієнти швидкої складової самодифузії, що іх вводять при апріорній апроксимації профілю двома erfc - функціями. З іншого боку, для кількісного співставлення необхідна модель відпалу, в рамках якої враховується (або обгрунтовано відкидається) можливий вплив на швидкість зсуву p-n-переходу процесів утворення та розчинення преципітатів Te. Як найбільш вдалу, для свого аналізу ми відбираємо модель Schaake et al. [10], засновану на припущенні щодо існування чіткої межі розподілу між відпаленим та невідпаленим шарами напівпровідника.

В рамках цієї моделі, постійною для кожної температури величиною - “параметром відпалу” - є відношення (xj2/t)VHT , де VHT - доля надмірного телуру в об'ємі зразка. При відпалі кристалів, вирощених чи приведених до рівноваги з парою при високій температурі, VHT - це концентрація вакансій в умовах тієї рівноваги, віднесена до концентрації атомів в напівпровіднику при температурі відпалу (1.21022 см-3). В наближеннях [10] відношення (xj2/t)VHT виражається через коефіцієнти самодифузії ртуті на ртутній та телуровій межі області гомогенності (що є функцією лише температури) та відношення VHg/Nd , де VHg - концентрація вакансій на поверхні зразка, Nd - концентрація домішок. В нашій роботі значення VHg знаходилось з екстраполяції відомої температурної залежності цієї величини.

Співставлення розрахованого нами параметру відпалу з експериментальними величинами виявляє добре узгодження для температур відпалу T>270OC та свідчить про змішаний вакансійно-міжвузловий характер дифузії. В рамках моделі, змішаний характер дифузії розглядається як такий, що призводить до плавного профілю розподілу вакансій в межах відпаленого шару. Це доволі узгоджується з фактом залежності xj від концентрації домішок Nd . В той же час, ряд сильних фактів свідчить про чисто міжвузлову дифузію, зокрема в області низьких температур По-перше, про це свідчить чисто експоненційний характер єкспериментальної залежності xj2/t від 1/T. По-друге, чітка пропорційнсть xj2 та t може спостерігатись при умові, що концентрація вакансій в невідпаленому шарі (VO) є постійною. Співставлення даних щодо xj2/t з даними щодо швидкості преципітаціі доводить, що в загальному випадку відносна швидкість преципітації (що визначається розподілом включень Te) не є великою або малою настільки, щоб зміною VO на протязі відпалу можна було знехтувати. Єдиний випадок, коли це твердо можна зробити - коли знехтувати можна всією VO, що може бути при міжвузловій дифузії. Характерним для міжвузлової дифузії є різкий, майже ступінчатий профіль розподілу вакансій, що також безпосередньо випливає з експериментальних даних [11]. Поряд з цими фактами, залежність xj від Nd виглядає незрозумілою. Отже, повна відповідність одне одному дифузійних даних різної природи встановлена нами не була. Зважаючи на протиріччя у принципових фактах, причину цього ми вбачаємо в неадекватності тих фундаментальних наближень, в яких за традицією проводиться опис дифузійного процесу.



ВИСНОВКИ

розчин фазовий рівновага телур

1. Встановлено, що пружні напруги в епітаксійному шарі не можуть призвести до суттєвого відхилення концентрації марганцю в зразках (Hg,Mn)Te, які вирощені на дилатаційно неузгодженій підкладці (Cd,Zn)Te, від очікуваної із равноважної діаграми стану. Виявлене розходження між дійсними значеннями концентрації марганцю в твердому розчині та її теоретичними оцінками є наслідком недостатньо адекватного опису фазової рівноваги у наближенні повністю асоційованого розчину для рідкої фази.

2. Встановлено, що солідус трьохкомпонентної системи Hg-Mn-Te з достатньою точністю може бути розрахований у наближенні малих концентрацій марганцю по експериментальним температурам ліквідуса та термодінамічним параметрам системи Hg-Te, отриманим у наближенні частково асоційованого розчину для рідкої фази бінарної системи.

3. Встановлено, що наявність перехідного шару між підкладкою та плівкою, що формується при вирощуванні (Hg,Mn)Te/Cd0.96Zn0.04Te із рідкої фази внаслідок взаємодифузії компонент, призводить до збільшення концентрації вільних носіїв та зменшення їх рухливості у відпалених плівках при температурі вимірювання T>70K, що необхідно враховувати під час аналізу результатів електрофізичного дослідження зразків.

4. Встановлено, що в межах існуючих уявлень щодо дифузії власних точкових дефектів в вузькощілинному напівпровіднику Hg0.8Cd0.2Te адекватний опис комплексу експериментальних даних щодо самодифузії в ньому ртуті та кадмію, преципітації власних дефектів та кінетики його низькотемпературного відпалу є неможливим. Принципові протиріччя виникають між а) даними самодифузії та результатами електрофізичного дослідження загартованих зразків Hg0.8Cd0.2Te p-типу; б) даними щодо щільності та розподілу преципітатів в матеріалах одного складу, отриманих в різний спосіб; в) фактами, що свідчать про міжвузловий та змішаний вакансійно-міжвузловий характер дифузії в приповерхневому шарі Hg0.8Cd0.2Te при його відпалі у насиченій парі ртуті. Подолання знайдених протиріч потребує перегляду тих фундаментальних наближень, в яких за традицією проводиться опис дифузійного процесу.



ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ВИКЛАДЕНІ У НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Бєляєв А.Є., Вiтусевич С.А., Комiренко С.М., Каверцев С.В., Жовнiр Г.I., Рашковецький Л.В. Вплив Cd на електрофiзичнi властивостi епiтаксiйних шарiв HgMnTe/Cd0.96Zn0.04Te // УФЖ. - 1996. - Т.41,N4. - С.478-481.

2. Бекетов Г.В., Беляев А.Е., Витусевич С.А., Каверцев С.В., Комиренко С.М. Особенности явлений переноса в эпитаксиальных пленках n-HgxMn1-xTe/Cd0.96Zn0.04Te // ФТП. - 1997. - Т.31,№3. - С.268-272.

3. Каверцев С.В., Беляев А.Е. Влияние упругих напряжений на характер эпитаксиальной кристаллизации (Hg,Mn)Te // ФТП. - 1997. - Т.31,№3. - С.342-346.

4. Kavertsev S.V., Komirenko S.M., Belyaev A.E., Rashkovetskii L.V. The thermodynamic aspects of manufacturing of (Hg,Mn)Te/CdTe structures // International Conference on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics, F.F.Sizov,V.V.Tetyorkin Editors, Proc.SPIE. - 1997.- V.3182. - P.396-399.

5. Belyaev A.E., Ivanov V.Yu., Komirenko S.M., Kavertsev S.V., Mischenko L.A.. Peculiarities of radiative recombination in Vanadium-doped CdTe crystals // International Conference on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics, F.F.Sizov, V.V.Tetyorkin Editors, Proc. SPIE. - 1997. - V.3182. - P.262-265.

6. Беляев А.Е., Каверцев С.В. Расчет солидуса трехкомпонентной системы Hg-Mn-Te в приближении частичной ассоциации в жидкой фазе // Полупровдники-97. Тезисы докладов III Всероссийской конференции по физике полупроводников. -1997. - Москва:Изд.ФИАН. - С.288.

7. Жовнир Г.И. , Каверцев С.В., Рашковецкий Л.В. Диффузионная модель отжига собственных точечных дефектов в Hg0.8Cd0.2Te // Матерiалознавство i фiзика напiвпровiдникових фаз змiнного складу. Тези доповiдей II Украiнськоi конференцiї.-Ч.1. - Нiжин: НДПІ ім. М.В.Гоголя. - 1993. - С.17-19.

8. T.Tung, C.-H.Su, P.-K.Liao, and R.F.Brebrick Measurement and analysis of phase diagram and thermodynamic properties in Hg-Cd-Te system // J.Vac.Sci.Technol. - 1982. - V.21,No1 - P.117-124.

9. Данилов М.А., Литвак А.М., Миронов К.Е. Диаграмма плавкости системы MnTe-HgTe-Te // Неорган. материалы. - 1992. -Т.28,№9. - С.1860-1869.

10. Бєляєв А.Є., Вiтусевич С.А., Комiренко С.М., Каверцев С.В., Жовнiр Г.I., Рашковецький Л.В. Вплив Cd на електрофiзичнi властивостi епiтаксiйних шарiв HgMnTe/Cd0.96Zn0.04Te // УФЖ. - 1996. - Т.41,N4. - С.478-481.

11. Клецький С.В. Дослідженні процесів переносу у неоднорідних твердих розчинах AIIBVI. Дис. на здоб. наук. ст. канд. фіз.-мат. наук. - К.: ИФП НАНУ,1996. - 113 с.

12. Williams D.J., Vere A.W. Tellurium precipitation in bulk-grown CdxHg1-xTe // J.Vac.Sci.Technol. A. - 1986. - Vol.4, No4. - P.2184-2189.

13. Kiessling F.M., Leipner H.S. TEM investigation of precipitates in Hg0.8Cd0.2Te grown by the travelling heater method // J.Cryst.Growth. - 1993. - Vol.128, Nos 1-4. - P.599-603.

14. Neubert M., Kiessling F.M., Bartz B., Jacobs K. Hg vacancy diffusion in mercury cadmium telluride // J.Cryst.Growth. - 1993. - Vol.128, Nos 1-4. - P.604-608.

15. Schaake H.F., Tregilgas J.H. The kinetics of tellurium precipitation in Hg0.8Cd0.2Te // J.Vac.Sci.Technol. A. - 1986. - Vol.4, No4. - P.2181-2183.

16. Show D. Diffusion mechanisms in II-VI materials // J.Cryst.Growth. - 1988. - V.86, Nos 1-4. - P.778-796.

17. Schaake H.F., Tregilgas J.H., Beck J.D., Kink M.A., Gnade B.E. The effect of low temperature annealing on defects, impurities, and electrical properties of (Hg,Cd)Te // J.Vac.Sci.Technol. - 1985. - V.A3,No1. - P.143-149.

18. Богобоящий В.В., Елизаров А.И., Иванов-Омский В.И., Петренко В.Р., Петряков В.А. Кинетика приведения кристаллов CdxHg1-xTe в равновесие с парами ртути // ФТП. - 1985. - Т.19,№5. - С.819-824.



АНОТАЦІЯ

Каверцев С.В. Теоретичні аспекти технології напівпровідникових твердих розчинів на основі сполук AIIBVI . - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06 - технологія, обладнання та виробництво електронної техніки. Інститут фізики напівпровідників Національної Академії Наук України, Київ, 1999.

Розглянуто питання, пов'язані з теорією рідинно-фазової епітаксії твердого розчину (Hg,Mn)Te, а також питання дефектної структури сполуки Hg0.8Cd0.2Te та її еволюції під час термічної обробки матеріалу. Аналізу піддані фазова діаграма системи Hg-Mn-Te, можливий вклад в умови фазової рівноваги пружних напруг в епітаксійному шарі, вплив взаємодифузії компонент на електрофізичні характеристики зразків (Hg,Mn)Te, вирощених на підкладках (Cd,Zn)Te. Відібрано модель, в рамках якої дані по самодифузії Hg203 можуть бути співставлені з даними щодо кінетики відпалу Hg0.8Cd0.2Te в парі ртуті. Зроблено висновки щодо дефектної структури Hg0.8Cd0.2Te та механізмів дифузії власних точкових дефектів.

Ключові слова: Сполуки AIIBVI , телурид марганцю - ртуті, рідинно-фазова епітаксія, фазова рівновага, телурид кадмію - ртуті, точкові дефекти.



ABSTRACT

Kavertsev S.V. Theoretical aspects of growth and post-grown treatment of AIIBVI semiconductor alloys. - Manuscript.

Thesis on competition for a scientific degree of candidate of sciences in technology on speciality 05.27.06 - technology, equipment, and production of electronics. Institute of Semiconductor Physics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 1999.

Some problems in the theory of liquid phase epitaxy of (Hg,Mn)Te solid solutions as well as defect structure and annealing kinetics of Hg0.8Cd0.2Te are considered. First, the phase diagram of Hg-Mn-Te system, the contribution of elastic strains to the phase equilibrium conditions, and effect of components' interdiffusion on electrical properties of (Hg,Cd,Mn)Te/(Cd,Zn)Te heterostructures have been investigated. Second, the model in which Hg self-diffusion data can be simply related to the data on Hg0.8Cd0.2Te annealing rate has been chosen and the conclusions regarding to both the Hg0.8Cd0.2Te defect structure and the mechanisms of native defects diffusion have been made.

Key words: AIIBVI , mercury manganese telluride, liquid phase epitaxy, phase equilibrium, mercury cadmium telluride, point defects.



АННОТАЦИЯ

Каверцев С.В. Теоретические аспекты технологии полупроводниковых твердых растворов на основе соединений AIIBVI. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06 - технология, оборудование и производство электронной техники. Институт физики полупроводников Национальной Академии Наук Украины, Киев, 1999.

В диссертации рассматриваются вопросы, связанные с теорией жидкофазной эпитаксии полупроводникового твердого раствора (Hg,Mn)Te, а также вопросы, связанные с дефектной структурой соединения Hg0.8Cd0.2Te и путями ее эволюции в процессе термической обработки материала.

Центральным пунктом первой части работы является расчет функции состояния жидкой фазы трехкомпонентной системы Hg-Mn-Te, определяемой как F = RT ln(aHgaTe) где axx - активность индексированного компонента жидкой фазы, R - газовая постоянная, T - температура, в приближении малой концентрации марганца в жидкой фазе.

Необходимость в таком расчете возникает при сопоставлении ожидаемых концентраций Mn в твердом растворе Hg1-xMnxTe, найденных для заданных условий выращивания по известным диаграммам состояния тройной системы, с реальным составом пленок, выращенных на подложках CdTe либо Cd0.96Zn0.04Te. Т.к. реальные концентрации Mn всегда меньше ожидаемых, а для твердого раствора Hg1-xMnxTe дилатационно несогласованными являются обе названные подложки, с необходимостью возникают два предположения. Во-первых, можно допустить, что не вполне адекватными являются известные нам диаграммы состояния системы Hg-Mn-Te, во-вторых - что заметный вклад в энергию выращиваемого на CdTe либо Cd0.96Zn0.04Te раствора вносят упругие напряжения в эпитаксиальном слое. Выбрать правильное предположение можно расчитав избыточную парциальную энергию смешения Гиббса ex какой-либо из квазихимических составляющих твердого раствора и сопоставив ее с парциальной энергией упругих напряжений для той же составляющей. Если эта составлющая - HgTe,

ex = Feq - Gof - RT ln(z) ,

где z - доля HgTe в твердом растворе, Gof - стандартная энергия образования HgTe из чистых жидких компонент, Feq - функция состояния жидкой фазы, взятая для метастабильного равновесия между пересыщенной жидкой фазой и напряженым твердым раствором.

Выполненный нами расчет показывает, что

а) при эпитаксиальном выращивании (Hg,Mn)Te на подложках CdTe либо Cd0.96Zn0.04Te дилатационное несоответствие между подложкой и пленкой не является фактором, существенно влияющим на состав выращиваемого раствора;

б) солидус трехкомпонентной системы Hg-Mn-Te с достаточной точностью можно рассчитать по экспериментальным температурам ликвидуса тройной системы и термодинамическим параметрам бинарной системы Hg-Te, найденым в приближении частично ассоциированного раствора в жидкой фазе. Приближение полностью ассоциированного раствора в жидкой фазе системы Hg-Te, всегда используемое при описании фазовых равновесий в тройной системе, не является адекватным.

Дополнительным следствием расчета является вывод о том, что роль неизбежно наблюдающейся при гетероэпитаксии взаимодиффузии компонент ограничивается формированием тонкого переходного слоя между подложкой и пленкой, а на состав собственно пленки взаимодиффузия не влияет. Существенной эта роль оказывается при электрофизическом исследовании выращенных образцов, когда наличие у гетерограницы варизонного слоя приводит к изменению таких параметров полупроводника как концентрация носителей в отожженном материале n-типа и их подвижность.

Вторая часть работы посвящена исследованию дефектной структуры Hg0.8Cd0.2Te в равновесии с паром, а также природы и коэффициентов диффузии тех собственных точечных дефектов, которые играют центральную роль в диффузионном переносе. Инструментом исследования стало детальное сопоставление данных, описывающих диффузию в Hg0.8Cd0.2Te радиоактивных изтопов ртути и кадмия, с результатами, характеризующими кинетику низкотемпературного отжига полупроводника. Показано, что в рамках имеющихся представлений о диффузии дефектов адекватное описание комплекса таких данных невозможно. Существенные противоречия обнаружены между а) данными самодиффузии и результатами электрофизических исследований закаленных образцов p-типа; б) данными, касающимися плотности и распределения преципитатов в образцах Hg0.8Cd0.2Te, полученных разными методами; в) фактами, свидетельствующими о междуузельном либо, напротив, вакансионно-междуузелььном характере диффузии в приповерхностном слое Hg0.8Cd0.2Te при его отжиге в насыщенных парах ртути. Показано, что простым уточнением известного разрешить эти противоречия нельзя, а по крайней мере частичного пересмотра требуют фундаментальные приближения, в рамках которых проводится описание диффузионного процесса в данном полупроводнике.

Ключевые слова: Соединения AIIBVI , теллурид марганца - ртути, жидкофазная эпитаксия, фазовые равновесия, теллурид кадмия - ртути, точечные дефекты.

Размещено на Allbest.ru